离子注入机离子源离化起弧室总成的精密特种加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及离子注入机离子源离化起弧室总成的精密加工技术，尤其涉及离子注入机离子源离化起弧室总成的现代特种加工方法。
【背景技术】
[0002]20世纪后期发展最快的产业是硅基集成电路，半导体集成电路产业不仅自身迅速成长，还带动了一批其他产业的崛起和完善，例如计算机、通信、航天、精密机械等。我们现在饮用的纯净水、医护人员的净化服、纳米技术、巨型计算机等都源于半导体集成电路研制。在微电子技术中占主导地位的半导体已经已成为21世纪技术革命的中心，将这一时期称为娃时代就是对半导体最佳的认同。
[0003]离子注入是一种向硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法，它是一个物理过程，也就是说，注入动作不依赖于杂质与晶圆材质的反应。火炮将炮弹打入墙中就是一个展示离子注入概念的示例。从火炮的火药中获取足够的动能，火炮会射入墙体，在墙体表面以内停下。离子注入过程中发生相同的情形，替代炮弹的是离子，掺杂原子被离化、分离、加速(获取动能)，形成离子束流，扫过晶圆，离子束流对晶圆进行物理轰击，进入表面并在表面以下停下。离子注入在亚0.25um以下先进电路的现代硅片制造过程中有着广泛应用。
[0004]离子就是带正电或负电的原子或分子，被注入的离子是掺杂物原子离化产生的，离化过程发生在通有源蒸汽的离化反应腔中进行。该反应腔保持10-3托的低压，反应腔内部灯丝加热到其表面可以发射电子的温度，带负电的电子被反应腔中的正电极吸引，电子从灯丝运动到正电极的过程中与杂质源分子碰撞，产出大量该分子所含元素形成的正离子。
[0005]离子注入机离化起弧室内的零部件的50%是由金属钨的精密加工件构成，30%零部件是由金属钼和钼合金(TZM)的精密加工件构成，5%零部件是由金属钽的精密加工件构成，因此钨、钼、TZM和钽的精密加工不规则零件在IP行业有着不可替代的作用。
[0006]钨是稀有高熔点金属，晶体结构是体心立方，钨的优点是熔点、强度和弹性模量高，膨胀系数小，蒸气压低，导电、导热性良好及优越的抗蚀性能，缺点是低温脆化和高温氧化严重。由于钨是完全的脆性物质，精密加工非常困难。
[0007]钼是稀有高熔点金属，晶体结构是体心立方，钼的熔点高，蒸气压低，蒸发速度较小，钼的硬度和强度极限比钨低，它的热膨胀系数与玻璃接近，钼也是脆性物质，精密加工也比较困难。
[0008]TZM是钼原料中添加了碳、钛、锆微量元素，性能基本与钼一样，高温强度、低温延性和焊接性能比钼好，然而精密加工比钼困难。
[0009]金属钽也是稀有高熔点金属，但其机械加工的工艺性不好，在精密加工上存在困难。
[0010]精密机械加工技术是利用刀具改变材料形状或破坏材料表层，以切削形式来达到所要求的形状，综上所述，钨、钼、TZM和钽金属在零件精密加工上存在以下不足:
1、钨是完全脆性物质，一般机械加工很困难，精密机械加工非常困难，具体表现为:产品在机械加工时易碎、易产生裂纹、易爆边爆，加工零件产品粗糙度底，加工零件产品尺寸精度低，零件产品形位精度低；
2、钼和TZM金属加工的零件产品存在加工零件产品粗糙度底，加工零件产品尺寸精度低，零件产品形位精度低；
3、钽金属在机械加工时很粘刀，因此加工的产品粗糙度底，尺寸精度低，形位精度低。
【发明内容】
[0011]本发明需要解决的技术问题是提供了离子注入机离子源离化起弧室总成的精密加工技术，尤其涉及离子注入机离子源离化起弧室总成的现代特种加工技术，旨在解决上述问题。
[0012]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种离子注入机离子源离化起弧室总成的精密特种加工方法，其包括依次进行的如下步骤:
精密切削加工，以加工出光洁度、尺寸精度和形位精度极高的产品零件。超硬涂层硬质合金刀具的优点在于其与有色金属亲和力小、硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，并且切削刃能磨得非常锋利，实际应用的一般为R10 μπι，可加工出优于Ra0.4 μπι的表面粗糙度。此外，精密切削加工还采用了高精度的CNC加工中心和CNC车削中心加工设备、以及高分辨率的微量进给机构。机床本身采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的
目.ο
[0013]作为优选方案，所述CNC精密铣切削和CNC精密车切削操作中，控制CNC铣削速度V为30?90m/s和CNC铣削进给量Ft为8?25mm/分，CNC切削速度V为10?25m/s，CNC切削进给量Ft为0.001mm?0.002_。
[0014]精密磨削加工，该技术是基于一般磨削而发展起来的，是用精确修整过的砂轮在精密磨床上进行的微量磨削加工，金属的去除量可在微米级甚至更小，可以达到很高的尺寸精度、形位精度和很低的表面粗糙度值。
[0015]作为优选方案，所述精密磨床上的金刚石笔的笔尖锥度控制为72°?78°，控制所述砂轮的线速度为10?22m/s，修整导程:0.015?0.05mm/r，修整深度:0.02?0.1mm。
[0016]精密研磨抛光加工，可使被加工产品达到尺寸精度、形位精度高和更低的表面粗糙度值；
精密特种加工，
作为优选方案，所述精密切削加工的步骤具体包括如下操作:
采用微米级以下的超硬涂层硬质合金刀具在精密机床上对坯体进行CNC精密铣切削和CNC精密车切削。
[0017]作为优选方案，所述精密磨削加工的步骤具体包括如下操作:
用砂轮在精密磨床上对坯体进行的微量磨削加工。
[0018]作为优选方案，所述精密研磨抛光加工的步骤包括如下操作:
依次通过砂纸研磨、磁力研磨、机械抛光的加工方法，对坯体进行微量修正。
[0019]作为优选方案，所述精密特种加工的精密特种加工包括如下操作中的至少一种: 电子束加工、微细电火花加工、电火花线切割加工、电化学抛光加工、及中频感应加热-液氮冷却装配。
[0020]其中，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106?109W/cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变成为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的温度，从而引起材料的局部熔化或气化。控制电子束能量密度的大小和能量的注入时间，就可以达到不同的加工目的，使材料局部熔化可进行电子束焊接。
[0021]电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和气化而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能或被镀覆的特种加工。微细电火花加工的特点是每个脉冲的放电能量很小，工作液循环困难，稳定的放电间隙范围小等。由于加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、螺纹等。
[0022]电火花线切割加工是利用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)作电极对工件进行脉冲火花放电、切割成型的。
[0023]电化学抛光是利用阳极的溶解作用，使阳极凸起部分发生选择性溶解以形成平滑表面的方法。电解抛光对金属材料都能适用，通过合理前置处理的钨、钼产品，经电解抛光后，可以去掉产品微裂纹源，产品的表面粗糙度达到Ra0.1 μπι。
[0024]在电化学抛光加工中，对钨材质的坯体进行加工时的电解液为160g/L的磷酸钠溶液、电解电压为20?24V、电流密度为38?45A/dm2、电解时间为90?120s ;对钼材质的坯体进行加工时的电解液为磷酸、铬酸和水的混合溶液、电解电压为8?10V、电流密度为20?80A/dm2、电解时间为90?120s。
[0025]优选地，所述磷酸、铬酸和水的混合溶液中，磷酸的质量分数为80%、铬酸的重量份数为16%、水的质量分数为4%。
[0026]中频感应加热-液氮冷却装配工艺:热胀冷缩装配原理在轴承工业上得到了淋漓尽致的表现，但同时将中频感应加热外圈，液氮冷却芯轴在一件工件上的装配工艺，迄今未有。本发明将中频感应加热-液氮冷却装配工艺成功地运用于上阴极螺纹芯轴与带孔圆板、带孔杯体的装配。
[0027]—台离子注入机是多个极为复杂精密的分系统的集成，每个分系统对离子注入起特定的作用，一台离子注入机平均价值为300万美元。离子注入机设备包含以下5个部分:离子源、引出电极(吸极)和离子分离器、加速管、扫描系统、工艺室。离子源有离化起弧室、基座、功率的导入元件构成，离化起弧室有:电弧腔体(ARC CHAMBER)、离子束通过板(ARCSLIT)、阴极(CATHODE)、反射极(REPELLER)、灯丝(FILAMENT)、REPELLER STUD、FILAMENTCLAMP、等二十多种零部件构成。离子注入机离化起弧室内的零部件，根据晶圆硅片制造的不同用途，分别有金属钨的精密加工件构成、金属钼及TZM的精密加工件构成、金属钽的精密加工件构成和石墨的精密加工件构成。
[0028]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
提供了离子注入机离子源离化起弧室总成的精密加工技术，尤其是离子注入机离子源离化起弧室总成的现代特种加工技术，同时创造了离子注入机离子源离化起弧室总成规模生产的技术工艺路线图，解决了脆性金属材料难以形成产业化规模生产问题。